彩色数字图像基础课件.pptx

1、第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 12/23/20221第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图像数据压缩主要根据的两个基本事实图像数据压缩主要根据的两个基本事实：1.对于图像数据中许多重复数据，使用数学方法来对于图像数据中许多重复数据，使用数学方法来表示可以减少数据量，可应用于表示可以减少数据量，可应用于无损压缩无损压缩；2.人的眼睛对图像细节和颜色的辨认有一个极限，人的眼睛对图像细节和颜色的辨认有一个极限，把超过极限的部分去掉，这也就达到压缩数据的把超过极限的部分去掉，这也就达到压缩数据的目的，可应用于目的，可应用于有损压缩

2、有损压缩。实际的图像压缩是综合使用各种有损和无损实际的图像压缩是综合使用各种有损和无损压缩技术来实现的。压缩技术来实现的。12/23/20222第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.1 视角系统对颜色的感知视角系统对颜色的感知 人的视觉系统对颜色的感知的几个特性：人的视觉系统对颜色的感知的几个特性：人的视网膜人的视网膜(human retina)通过神经元来感知外部世界的颜色，通过神经元来感知外部世界的颜色，每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体每个神经元或者是一个对颜色敏感的锥体(cone)，。，。红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光的感知程度不同，对不红、绿和蓝三种锥体细胞对不同

3、频率的光的感知程度不同，对不同亮度的感知程度也不同，如同亮度的感知程度也不同，如图图5-01所示。这就意味着，人们可所示。这就意味着，人们可以使用数字图像处理技术来降低数据率而不使人感到图像质量明以使用数字图像处理技术来降低数据率而不使人感到图像质量明显下降。显下降。自然界中的任何一种颜色都可以由自然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这这3种颜色值之和来种颜色值之和来确定，它们构成一个确定，它们构成一个3维的维的RGB矢量空间。这就是说，矢量空间。这就是说，R，G，B的数值不同混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同。自的数值不同混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同。自然界中的任何一

4、种颜色都可以由然界中的任何一种颜色都可以由R，G，B这这3种颜色值之和来确种颜色值之和来确定，它们构成一个定，它们构成一个3维的维的RGB矢量空间。这就是说，矢量空间。这就是说，R，G，B的的数值不同混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同，如图数值不同混合得到的颜色就不同，也就是光波的波长不同，如图5-02表示表示。12/23/20223第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-02 产生波长不同的光所需要的三基色值产生波长不同的光所需要的三基色值1图5-02表示 使用基色波长使用基色波长为为700 nm(红红色色)、546.1 nm(绿色绿色)和和435.8 nm(蓝色蓝色)

5、时，在可见光时，在可见光范围里，相加范围里，相加混色产生某一混色产生某一波长的光波所波长的光波所需要的三种基需要的三种基色的数值。色的数值。12/23/20224第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.2 图像的颜色模型图像的颜色模型 5.2.1 显示彩色图像用显示彩色图像用RGB相加混色模型相加混色模型 阴极射线管阴极射线管(cathode ray tube，CRT)CRT使用使用3个电子枪分别产生红个电子枪分别产生红(Red)、绿、绿(Green)和蓝和蓝(Blue)三种波长的光，并以各种不同的相对强三种波长的光，并以各种不同的相对强度综合起来产生颜色，如图度综合起来产生颜色，如

6、图5-03所示。组合这三种所示。组合这三种光波以产生特定颜色称为光波以产生特定颜色称为相加混色相加混色，称为，称为RGB相加相加模型模型 LED？平板显示器？平板显示器？12/23/20225第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-03 彩色显象管产生颜色的原理彩色显象管产生颜色的原理 12/23/20226第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 某种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面式子来描述：某种颜色和这三种颜色之间的关系可用下面式子来描述：颜色颜色R(红色百分比红色百分比)G(绿色百分比绿色百分比)B(蓝色百分比蓝色百分比)图图5-04 相加混色相加混色 三基色等量相

7、加三基色等量相加时，得到白色；时，得到白色；等量的红绿相加而蓝等量的红绿相加而蓝为为0值时得到值时得到黄色黄色；等量的红蓝相加而绿等量的红蓝相加而绿为为0时得到时得到品红色品红色；等量的绿蓝相加而红等量的绿蓝相加而红为为0时得到时得到青色青色。12/23/20227第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-05 一幅图像由许多像素组成一幅图像由许多像素组成 图像中的单个点图像中的单个点称为称为像素像素(pixel)，每，每个像素都有一个值，个像素都有一个值，称为称为像素值像素值，它表示，它表示特定颜色的强度。特定颜色的强度。一个像素值往往一个像素值往往用用R，G，B三个分量三个分量

8、表示。表示。12/23/20228第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 表表5-01相加色相加色 RGB颜色000黑001蓝010绿011青100红101品红110黄111白RGB颜色000黑001蓝010绿011青100红101品红110黄111白RGB颜色000黑001蓝010绿011青100红101品红110黄111白RGBRGB颜色颜色000000黑黑001001蓝蓝010010绿绿011011青青100100红红101101品红品红110110黄黄111111白白如果每个像素的每个颜如果每个像素的每个颜色分量用二进制的色分量用二进制的1位位来表示，那末每个颜色来表示，那末每个

9、颜色的分量只有的分量只有“1”和和“0”这两个值。这也就是说，这两个值。这也就是说，每种颜色的强度是每种颜色的强度是100%，或者是，或者是0%。在。在这种情况下，每个像素这种情况下，每个像素所显示的颜色是所显示的颜色是8种可种可能出现的颜色之一，如能出现的颜色之一，如表表5-01所示。所示。12/23/20229第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.2.2 打印彩色图像用打印彩色图像用CMY相减混色模型相减混色模型 相减色相减色:用彩色墨水或颜料进行混合得到的颜色用彩色墨水或颜料进行混合得到的颜色;在理论上说，任何一种颜色都可以用三种基本颜料在理论上说，任何一种颜色都可以用三种基

10、本颜料按一定比例混合得到。这三种颜色是青色按一定比例混合得到。这三种颜色是青色(Cyan)、品红品红(Magenta)和黄色和黄色(Yellow)，通常写成，通常写成CMY，称为称为CMY模型。模型。之所以称为相减色，乃是因为它减少了为视觉系统之所以称为相减色，乃是因为它减少了为视觉系统识别颜色所需要的反射光。识别颜色所需要的反射光。12/23/202210第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-06 相减混色相减混色 当三基色等量当三基色等量相减时得到黑色；相减时得到黑色；等量黄色等量黄色(Y)和和品红品红(M)相减而青相减而青色色(C)为为0时，得到时，得到红色红色(R)；等

11、量青色等量青色(C)和品红和品红(M)相减而相减而黄色黄色(Y)为为0时，得时，得到蓝色到蓝色(B)；等量黄色等量黄色(Y)和和青色青色(C)相减而品相减而品红红(M)为为0时，得到时，得到绿色绿色(G)。12/23/202211第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 表表5-03 相减色相减色 青色品红黄色相减色000白001黄010品红011红100青101绿110蓝111黑青色品红黄色相减色000白001黄010品红011红100青101绿110蓝111黑青色品红黄色相减色000白001黄010品红011红100青101绿110蓝111黑青色青色品红品红黄色黄色相减色相减色0 00

12、 00 0白白0 00 01 1黄黄0 01 10 0品红品红0 01 11 1红红1 10 00 0青青1 10 01 1绿绿1 11 10 0蓝蓝1 11 11 1黑黑按每个像素每按每个像素每种颜色用种颜色用1位表位表示，相减法产示，相减法产生的生的8种颜色如种颜色如表表5-03所示所示 12/23/202212第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 表表5-04 相加色与相减色的关系相加色与相减色的关系 相加混色相减混色生成的颜色RGBCMY000111黑001110蓝010101绿011100青100011红101010品红110001黄111000白相加混色相加混色相减混色相减

13、混色生成的颜色生成的颜色RGBRGBCMYCMY000000111111黑黑001001110110蓝蓝010010101101绿绿011011100100青青100100011011红红101101010010品红品红110110001001黄黄111111000000白白例如，当例如，当RGB为为1 1 1时，在相加混时，在相加混色中产生白色，而色中产生白色，而CMY为为1 1 1时，在时，在相减混色中产生黑色。相减混色中产生黑色。从另一个角度也可以看从另一个角度也可以看它们的互补性。从表它们的互补性。从表5-04中可以看到，在中可以看到，在RGB中的颜色为中的颜色为1的地的地方，在方，在

14、CMY对应的位对应的位置上，其颜色值为置上，其颜色值为0。例如例如RGB为为0 1 0时，时，对应对应CMY为为1 0 1。12/23/202213第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-07 RGB彩色空间和彩色空间和CMY彩色空间的表示法彩色空间的表示法12/23/202214第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.3 图像的三个基本属性图像的三个基本属性 5.3.1 分辨率分辨率 1.显示分辨率显示分辨率 指显示屏上能够显示出的指显示屏上能够显示出的像素数目像素数目 分辨率越高，显示的图像质量也就越高分辨率越高，显示的图像质量也就越高 常用常用点距点距来衡量一个显

15、示屏的分辨率来衡量一个显示屏的分辨率 点距点距(dot pitch):显像管玻璃面上的孔眼之间的距离显像管玻璃面上的孔眼之间的距离;2.图像分辨率图像分辨率 组成一幅图像的组成一幅图像的像素密度像素密度的度量方法的度量方法.在用扫描仪扫描彩色图像时，图像的分辨率用每英在用扫描仪扫描彩色图像时，图像的分辨率用每英寸多少点寸多少点(dots per inch，DIP)表示表示;12/23/202215第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 3.两个不同的概念两个不同的概念 图像分辨率图像分辨率是确定组成一幅图像的是确定组成一幅图像的像素数目像素数目 显示分辨率显示分辨率是确定显示图像的是确定

16、显示图像的区域大小区域大小。5.3.2 像素深度像素深度 1.概念：概念：指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的分辨率；的分辨率；决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数；定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数；表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就越多，而它的深度就越深越多，而它的深度就越深；2.不一定要追求特别深的像素深度不一定要追求特别深的像素深度 设备的限制；设备的限制；人眼分辨率的限制人眼分辨率的限制；

17、12/23/202216第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 3.属性属性(Attribute)位位 在用二进制数表示彩色图像的像素时，除在用二进制数表示彩色图像的像素时，除R，G，B分量分量用固定位数表示外，往往还增加用固定位数表示外，往往还增加1位或几位作为属性位或几位作为属性(Attribute)位位;用来指定该像素应具有的性质。用来指定该像素应具有的性质。透明透明(Transparency)位，记为位，记为T。假如显示屏上已经有一幅图存在，当这幅图或者这幅图的一部假如显示屏上已经有一幅图存在，当这幅图或者这幅图的一部分要重叠在上面时，分要重叠在上面时，T位就用来控制原图是否能看

18、得见。位就用来控制原图是否能看得见。4.通道通道(alpha channel)位位 在用在用32位表示一个像素时，若位表示一个像素时，若R，G，B分别用分别用8位表示，位表示，剩下的剩下的8位常称为位常称为通道通道(alpha channel)位，或称为复盖位，或称为复盖(overlay)位、中断位、属性位。位、中断位、属性位。视图混合视图混合(video keying)技术，它也采用技术，它也采用通道通道 12/23/202217第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.3.3 真彩色、伪彩色与直接色真彩色、伪彩色与直接色 1.真彩色真彩色(true color)概念：概念：指在组成

19、一幅彩色图像的每个像素值中，有指在组成一幅彩色图像的每个像素值中，有R，G，B三个三个基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度基色分量，每个基色分量直接决定显示设备的基色强度;真彩色图真彩色图 通常是指通常是指RGB 8:8:8，即图像的颜色数等于，即图像的颜色数等于224，也常称，也常称为全彩色为全彩色(full color)图像图像 可生成的颜色数就是可生成的颜色数就是224 16 777 216种，而人的眼睛是种，而人的眼睛是很难分辨出这么多种颜色的很难分辨出这么多种颜色的 许多场合往往用许多场合往往用RGB 5:5:5来表示，每个彩色分量占来表示，每个彩色分量占5个个位，再加位

20、，再加1位显示属性控制位共位显示属性控制位共2个字节，生成的真颜色数个字节，生成的真颜色数目为目为215=32K 在显示器上显示的颜色就不一定是真彩色，要得到真彩色在显示器上显示的颜色就不一定是真彩色，要得到真彩色图像需要有真彩色显示适配器，目前在图像需要有真彩色显示适配器，目前在PC上用的上用的VGA适适配器是很难得到真彩色图像的配器是很难得到真彩色图像的12/23/202218第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 2.伪彩色伪彩色(pseudo color)含义：含义：每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而每个像素的颜色不是由每个基色分量的数值直接决定，而是把像素值当作

21、是把像素值当作彩色查找表彩色查找表(color look-up table，CLUT)的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的的表项入口地址，去查找一个显示图像时使用的R，G，B强度值，用查找出的强度值，用查找出的R，G，B强度值产生的彩色强度值产生的彩色 彩色图像本身的像素数值和彩色查找表的索引号有彩色图像本身的像素数值和彩色查找表的索引号有一个变换关系，这个关系可以使用一个变换关系，这个关系可以使用Windows 95/98定义的变换关系，也可以使用你自己定义的变换关定义的变换关系，也可以使用你自己定义的变换关系。系。使用查找得到的数值显示的彩色是真的，但不是图使用查找得到的数值显示的彩

22、色是真的，但不是图像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的彩色。像本身真正的颜色，它没有完全反映原图的彩色。12/23/202219第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-08 真彩色和伪彩色图像之间的差别真彩色和伪彩色图像之间的差别 12/23/202220第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 3.直接色直接色(direct color)每个像素值分成每个像素值分成R，G，B分量，每个分量作为单独分量，每个分量作为单独的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变换的索引值对它做变换。也就是通过相应的彩色变换表找出基色强度，用变换后得到的表找出基色强度，用变换后得到的R，G，

23、B强度值强度值产生的彩色称为直接色产生的彩色称为直接色;特点是对每个基色进行变换特点是对每个基色进行变换;与真彩色系统相比：与真彩色系统相比：相同之处：相同之处：都采用都采用R，G，B分量决定基色强度；分量决定基色强度；不同之处不同之处:真彩色真彩色的基色强度直接用的基色强度直接用R，G，B决定决定 直接色直接色的基色强度由的基色强度由R，G，B经变换后决定。经变换后决定。试验结果表明，使用直接色在显示器上显示的彩色图试验结果表明，使用直接色在显示器上显示的彩色图像看起来真实、很自然。像看起来真实、很自然。12/23/202221第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 直接色与伪彩色系统

24、相比直接色与伪彩色系统相比:相同之处是都采用查找表相同之处是都采用查找表;不同之处不同之处:直接色直接色对对R，G，B分量分别进行变换分量分别进行变换;伪彩色伪彩色把整个像素当作查找表的索引值进行彩色变换把整个像素当作查找表的索引值进行彩色变换;12/23/202222第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.4 图像的种类图像的种类 5.4.1 矢量图与点位图矢量图与点位图 矢量图矢量图(vector based image)法：法：用一系列计算机指令来表示一幅图用一系列计算机指令来表示一幅图;实际上是数学方法来描述一幅图，然后变成许多的实际上是数学方法来描述一幅图，然后变成许多的数

25、学表达式，再编程，用语言来表达。数学表达式，再编程，用语言来表达。在计算显示图时，也往往能看到画图的过程。绘制在计算显示图时，也往往能看到画图的过程。绘制和显示这种图的软件通常称为和显示这种图的软件通常称为绘图程序绘图程序(draw programs)12/23/202223第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 矢量图优点矢量图优点:当需要管理每一小块图像时，矢量图法非常有效；当需要管理每一小块图像时，矢量图法非常有效；目标图像的移动、缩小放大、旋转、拷贝、属性的改变目标图像的移动、缩小放大、旋转、拷贝、属性的改变(如线条变宽变细、颜色的改变如线条变宽变细、颜色的改变)也很容易做到；也

26、很容易做到；相同的或类似的图可以把它们当作图的构造块，并把它们相同的或类似的图可以把它们当作图的构造块，并把它们存到图库中，这样不仅可以加速画的生成，而且可以减小存到图库中，这样不仅可以加速画的生成，而且可以减小矢量图文件的大小；矢量图文件的大小；矢量图缺陷：矢量图缺陷：当图变得很复杂时，计算机就要花费很长的时间去执行绘当图变得很复杂时，计算机就要花费很长的时间去执行绘图指令。图指令。此外，对于一幅复杂的彩色照片此外，对于一幅复杂的彩色照片(例如一幅真实世界的彩例如一幅真实世界的彩照照)，很难用数学来描述，因而就不用矢量法表示，很难用数学来描述，因而就不用矢量法表示 12/23/202224第

27、第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 点位图点位图(bit mapped image)法法 把一幅彩色图分成许多的像素，每个像素用若干个把一幅彩色图分成许多的像素，每个像素用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。画点位图，或者编辑点位图，使用的软件称为画点位图，或者编辑点位图，使用的软件称为画图画图程序程序(paint programs)。点位图的获取通常用扫描仪，以及摄像机、录相机、点位图的获取通常用扫描仪，以及摄像机、录相机、激光视盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这些激光视盘与视频信号数字化卡一类设备，通过这些设备把模拟的图像信号变成

28、数字图像数据设备把模拟的图像信号变成数字图像数据；12/23/202225第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 矢量图与点位图之比较：矢量图与点位图之比较：矢量图矢量图：侧重于侧重于“绘制绘制”、去创造；、去创造；文件的大小则主要取决图的复杂程度文件的大小则主要取决图的复杂程度；点位图：点位图：偏重于偏重于“获取获取”、去、去“复制复制”；影响文件大小的因素主要有：图像分辨率和像素深度；影响文件大小的因素主要有：图像分辨率和像素深度；显示点位图文件比显示矢量图文件要快；显示点位图文件比显示矢量图文件要快；矢量图和点位图之间可以用软件进行转换：矢量图和点位图之间可以用软件进行转换：由矢量

29、图转换成点位图采用由矢量图转换成点位图采用光栅化光栅化(rasterizing)技术，这技术，这种转换也相对容易；种转换也相对容易；由点位图转换成矢量图用由点位图转换成矢量图用跟踪跟踪(tracing)技术，这种技术在技术，这种技术在理论上说是容易，但在实际中很难实现，对复杂的彩色图理论上说是容易，但在实际中很难实现，对复杂的彩色图像尤其如此像尤其如此 。12/23/202226第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.5.2 灰度图与彩色图灰度图与彩色图 灰度图灰度图(gray-scale image)：按照灰度等级的数目来划分。按照灰度等级的数目来划分。如果每个像素的像素值用一个字

30、节表示，灰度值级数如果每个像素的像素值用一个字节表示，灰度值级数就等于就等于256级，每个像素可以是级，每个像素可以是0255之间的任何一个之间的任何一个值值 单色图像单色图像(monochrome image)：只有黑白两中颜色，图中的每个像素的像素值用只有黑白两中颜色，图中的每个像素的像素值用1位存位存储，它的值只有储，它的值只有“0”或者或者“1”。12/23/202227第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-09 标准单色图标准单色图 图图5-10 标准灰度图标准灰度图 12/23/202228第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 彩色图像彩色图像(color

31、image)按照颜色的数目来划分，例如按照颜色的数目来划分，例如256色图像和真彩色色图像和真彩色(22416 777 216种颜色种颜色)等等。alpha通道：通道：如如24位彩色图像是用位彩色图像是用32位存储的，这个附加的位存储的，这个附加的8位位叫做叫做alpha通道，它的值叫做通道，它的值叫做alpha值；值；用来表示该像素如何产生特技效果。用来表示该像素如何产生特技效果。12/23/202229第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-7 256色标准图像转换成的灰度图色标准图像转换成的灰度图 256色色标准图像标准图像转换成的转换成的256级级灰度图像灰度图像，彩色图

32、像的，彩色图像的每个每个像素像素的的R、G和和B值用一个字节来表示值用一个字节来表示 12/23/202230第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-8 24位标准图像转换成的灰度图位标准图像转换成的灰度图 真彩色真彩色图像转换成的图像转换成的256级级灰度图像灰度图像，每个像素的，每个像素的R，G，B分量分量分别用一个字节表示分别用一个字节表示 12/23/202231第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.5 伽马伽马()校正校正 5.5.1 的概念的概念 幂幂-律律(power-law)转换特性转换特性:yxn 输出输出(输入输入)式中的式中的(gamma)是幂函

33、数的指数，它用来衡量非线是幂函数的指数，它用来衡量非线性部件的转换特性性部件的转换特性。，“输入输入”和和“输出输出”都缩放到都缩放到01之间。之间。其中，其中，0表示黑电平，表示黑电平，1表示颜色分量的最高电平。表示颜色分量的最高电平。如果所有部件都有幂函数的转换特性，那么整个系如果所有部件都有幂函数的转换特性，那么整个系统的传递函数就是一个幂函数，它的指数统的传递函数就是一个幂函数，它的指数等于所有等于所有单个部件的单个部件的的乘积。的乘积。12/23/202232第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 如果图像系统的整个如果图像系统的整个 1：输出与输入就成线性关系。输出与输入就成

34、线性关系。意味在重现图像中任何两个图像区域的强度之比率与原始场景的两个意味在重现图像中任何两个图像区域的强度之比率与原始场景的两个区域的强度之比率相同。区域的强度之比率相同。各种环境下再生图像真实地再现各种环境下再生图像真实地再现“原始场景原始场景”的情况：的情况：“明亮环境明亮环境”其他白色物体的亮度与图像中白色部分的亮度几乎相同的环境其他白色物体的亮度与图像中白色部分的亮度几乎相同的环境 1 “暗淡环境暗淡环境”房间中的其他东西能够看到，但比图像中白色部分的亮度更暗。如电房间中的其他东西能够看到，但比图像中白色部分的亮度更暗。如电视的环境和计算机房的环境视的环境和计算机房的环境；1.25

35、“黑暗环境黑暗环境”放映电影和投影幻灯片的环境放映电影和投影幻灯片的环境 1.5 12/23/202233第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.5.2 校正校正 所有所有CRT显示设备都有幂显示设备都有幂-律转换特性，起码要律转换特性，起码要有一个能够提供有一个能够提供校正的非线性部件，用来补校正的非线性部件，用来补偿偿CRT的非线性特性。的非线性特性。在所有广播电视系统中，在所有广播电视系统中，校正是在摄象机中校正是在摄象机中完成的。完成的。“数字时代数字时代”，进入计算机的电视图像依然带，进入计算机的电视图像依然带有有0.5的校正的校正 12/23/202234第第5章章 彩色

36、数字图像基础彩色数字图像基础 5个有非线性转换函数存在并可引入个有非线性转换函数存在并可引入值地方：值地方：camera_gamma：摄象机中图像传感器的摄象机中图像传感器的(通常通常0.4或者或者0.5)encoding_gamma：编码器编码图像文件时引入编码器编码图像文件时引入 decoding_gamma：译码器读图像文件时引入译码器读图像文件时引入 LUT_gamma：图像帧缓存查找表中引入图像帧缓存查找表中引入 CRT_gamma：CRT的的(通常通常2.5)12/23/202235第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 【例】在数字图像显示系统中，由于要显示的图像【例】在数

37、字图像显示系统中，由于要显示的图像不一定就是摄像机来的图像，假设不一定就是摄像机来的图像，假设这种图像的这种图像的值等于值等于1，如果：，如果：encoding_gamma0.5，CRT_gamma2.5decoding_gamma1.0LUT_gamma=1.0则，整个系统的则，整个系统的1.00.52.51.01.01.25 12/23/202236第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.6 JPEG压缩编码压缩编码 5.6.1 JPEG算法概要算法概要：概念：概念：JPEG(Joint Photographic Experts Group)是一是一个由个由 ISO和和IEC两个

38、组织机构联合组成的一个专家两个组织机构联合组成的一个专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准，组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准，这个专家组开发的算法称为这个专家组开发的算法称为JPEG算法，并且成为算法，并且成为国际上通用的标准，因此又称为国际上通用的标准，因此又称为JPEG标准。标准。JPEG是一个适用范围很广的是一个适用范围很广的静态图像静态图像数据压缩标数据压缩标准，既可用于准，既可用于灰度图像灰度图像又可用于又可用于彩色图像彩色图像。12/23/202237第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法：专家组开发了两种基本的压缩算

39、法：一种是采用以离散余弦变换一种是采用以离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，DCT)为基础的为基础的有损压缩算法有损压缩算法；在压缩比为在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。近年来近年来JPEG专家组正在制定专家组正在制定JPEG 2000(简称简称JP 2000)标标准，采用小波变换准，采用小波变换(wavelet)算法。算法。另一种是采用以预测技术为基础的另一种是采用以预测技

40、术为基础的无损压缩算法无损压缩算法。12/23/202238第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 JPEG压缩压缩 是有损压缩，它利用了人的视角系统的特性，使用量化是有损压缩，它利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。身的冗余信息。JPEG算法框图如图算法框图如图5-13所示；所示；压缩压缩编码编码大致分成三个步骤：大致分成三个步骤：使用使用正向离散余弦变换正向离散余弦变换(forward discrete cosine transform，FDCT)把空间域表示的图变换成频率域表示

41、的图。把空间域表示的图变换成频率域表示的图。使用加权函数对使用加权函数对DCT系数进行系数进行量化量化，这个加权函数对于人的视，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的。觉系统是最佳的。使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。译码译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。12/23/202239第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-13 JPEG压缩编码压缩编码-解压缩算法框图解压缩算法框图 12/23/202240第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.6.2 JPEG算法

42、的主要计算步骤算法的主要计算步骤 正向离散余弦变换正向离散余弦变换(FDCT)。量化量化(quantization)。Z字形编码字形编码(zigzag scan)。使用差分脉冲编码调制使用差分脉冲编码调制(differential pulse code modulation，DPCM)对直流系数对直流系数(DC)进行编码。进行编码。使用行程长度编码使用行程长度编码(run-length encoding，RLE)对交流系数对交流系数(AC)进行编码。进行编码。熵编码熵编码(entropy coding)。12/23/202241第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 1.正向离散余弦变换

43、正向离散余弦变换 (1)对每个单独的彩色图像分量，把整个分量图像分对每个单独的彩色图像分量，把整个分量图像分成成88的图像块，如图的图像块，如图5-14所示，并作为两维离散所示，并作为两维离散余弦变换余弦变换DCT的输入。通过的输入。通过DCT变换，把能量集中变换，把能量集中在少数几个系数上。在少数几个系数上。图图5-14 离散余弦变换离散余弦变换 12/23/202242第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 (2)DCT变换使用下式计算，变换使用下式计算，.(5-1)它的逆变换使用下式计算，它的逆变换使用下式计算，.(5-2)上面两式中，上面两式中，C(u),C(v)=1/,当当u,

44、v=0；C(u),C(v)=1,其他。其他。f(i,j)经经DCT变换之后，变换之后，F(0，0)是直流系数，其他为交流系数。是直流系数，其他为交流系数。16)12(cos16)12(cos),()()(41),(7070ijvjuijifvCuCvuF16)12(cos16)12(cos),()()(41),(7070vjuivuFvCuCjifuv12/23/202243第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 (3)在计算两维的在计算两维的DCT变换时，可使用下面的计算式把两维的变换时，可使用下面的计算式把两维的DCT变换变成一维的变换变成一维的DCT变换，变换，.(5-3).(5-

45、4)16)12(cos),()(21),(70jvjjifvCviG16)12(cos),()(21),(70iuiviGuCvuF12/23/202244第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-15 两维两维DCT变换方法变换方法 12/23/202245第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 2.量化量化 是对经过是对经过FDCT变换后的频率系数进行量化。变换后的频率系数进行量化。目的是减小非目的是减小非“0”系数的幅度以及增加系数的幅度以及增加“0”值系值系数的数目。数的数目。图像质量下降的最主要原因。图像质量下降的最主要原因。对于有损压缩算法，对于有损压缩算法，JP

46、EG算法使用如图算法使用如图5-16所示的均匀量所示的均匀量化器进行量化化器进行量化 ，量化步距是按照系数所在的位置和每种，量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定颜色分量的色调值来确定 12/23/202246第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 两种量化表：两种量化表：表表5-05 亮度量化值表亮度量化值表 表表5-06 色度量化值色度量化值 由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感，因由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感，因此图中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。此图中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。12/23/202247第

47、第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 3.Z字形编排字形编排 量化后的系数要重新编排量化后的系数要重新编排 目的是为了增加连续的目的是为了增加连续的“0”系数的个数，就是系数的个数，就是“0”的游程长度的游程长度;方法是按照方法是按照Z字形的式样编排，如图所示。这样就把字形的式样编排，如图所示。这样就把一个一个8 8的矩阵变成一个的矩阵变成一个1 64的矢量，频率较低的的矢量，频率较低的系数放在矢量的顶部。系数放在矢量的顶部。12/23/202248第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 图图5-18 量化量化DCT系数的序号系数的序号 0 01 15 56 61414151527

48、2728282 24 47 7131316162626292942423 38 81212171725253030414143439 911111818242431314040444453531010191923233232393945455252545420202222333338384646515155556060212134343737474750505656595961613535363648484949575758586262636312/23/202249第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 4.直流系数的编码直流系数的编码 8 8图像块经过图像块经过DCT变换之后得到的变

49、换之后得到的DC直流系数直流系数有两个特点：有两个特点：一是系数的数值比较大；一是系数的数值比较大；二是相邻二是相邻8 8图像块的图像块的DC系数值变化不大。系数值变化不大。根据这个特点，根据这个特点，JPEG算法使用了差分脉冲调制编码算法使用了差分脉冲调制编码(DPCM)技术，对相邻图像块之间量化技术，对相邻图像块之间量化DC系数的差值系数的差值(Delta)进行编码，进行编码，Delta=DC(0,0)k-DC(0,0)k-1 12/23/202250第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 5.交流系数的编码交流系数的编码 量化量化AC系数的特点系数的特点:是是1 64矢量中包含有许

50、多矢量中包含有许多“0”系数，并且许多系数，并且许多“0”是连续的，因此使用非常简单和直观的游程长度编码是连续的，因此使用非常简单和直观的游程长度编码(RLE)对它们进行编码。对它们进行编码。JPEG使用使用 了了1个字节的高个字节的高4位来表示连续位来表示连续“0”的个数；的个数；而使用它的低而使用它的低4位来表示编码下一个非位来表示编码下一个非“0”系数所需要的系数所需要的位数；位数；跟在它后面的是量化跟在它后面的是量化AC系数的数值。系数的数值。12/23/202251第第5章章 彩色数字图像基础彩色数字图像基础 6.熵编码熵编码 在在JPEG有损压缩算法中，使用霍夫曼编码器来减少有损压